【正文】 然而，由于脈沖頻率非常高，放電通道半徑的測量是非常困難的。 邊界和初始條件圍繞著電火花的一小部分的圓柱形工件作為域名使用。在目前的工作，基于有限元的技術(shù)，一個描述電火花加工中熱應(yīng)力的模型已經(jīng)被建立出來了。Lee 等人發(fā)現(xiàn)更容易被測量的關(guān)于表面損害程度的參數(shù)如脈沖能量，表面粗糙度等。由于高密度熱能量而產(chǎn)生的高溫不僅會導致熱侵蝕，而且會使加工表面的重鑄層產(chǎn)生微小微裂紋。這些熱應(yīng)力會導致微裂紋，強度和疲勞壽命的下降，并且可能是災(zāi)難性的失敗。致謝在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我的指導老師―彭子龍老師給我了很大的幫助，彭老師認真負責的工作態(tài)度，孜孜不倦的教導令我很欽佩，他在我們身上花費了很多的時間，這也令我很感動。[23] 張勇，微細電火花加工系統(tǒng)及其工藝技術(shù)研究： [博士學位論文]。哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文，2022:19~20。[10] 金柏冬，氣中微細電火花沉積關(guān)鍵技術(shù)研究。中國機械工程，2022，17(2) ：111．115。[2] 李勇，王顯軍，郭曼等，微細電火花加工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]。建立了微細電火花加工熱源模型。從熱導率方面考慮，銅的熱導率高于高速鋼的熱導率，所以我推斷，熱導率高的材料作為電極，在相同的條件下，其模擬的溫度場的溫度越高。（2）工具黃銅接陰極，工件高速鋼接陽極。（2）工具黃銅接陰極，工件高速鋼接陽極。研究表明材料的各項物理性能對溫度場的影響大小不同，熱導率對溫度場的影響較大 [27]。圖 313 RUN JOB可視化處理結(jié)果擊 RESULTS ，可對記錄在其中的結(jié)果信息進行可視化處理。也就是對劃分的每個幾何意義上的單元都賦予相應(yīng)的適于特定分析的單元類型。對于需考慮因質(zhì)量遷移產(chǎn)生的強迫對流傳熱的情形，應(yīng)選擇采用非對稱矩陣求解。用戶定義加載歷程時，可以依據(jù)分析的需要分別定義多組加載歷程，并逐個取名以備定 JOB 時選用。在瞬態(tài)分析中，用戶控制瞬態(tài)分析結(jié)束的方式有兩種：（1）指定結(jié)束分析的總時間。具體菜單界面如圖 39 所示。需計算輻射時，可定義輻射效率。.當然，對沒定義初始溫度的瞬態(tài)熱傳導問題，程序自動采用零初始溫度進行分析。無論是定義對流放熱系數(shù)還是環(huán)境溫度，都可用 table 定義其隨時間變化關(guān)系。（2）POINT FLUX，EDGE FLUX，F(xiàn)ACE FLUX，VOLUME FLUX 定義施加在有限元各元素上的熱流強度。自動網(wǎng)格生成器命令按鈕如圖 35。輸入數(shù)據(jù)可借助于 Mentat 界面生成，由用戶填卡也可生成。在分析過程中，利用網(wǎng)格自適應(yīng)和重劃分技術(shù)，能夠變更單元的劃分和節(jié)點數(shù)目。綜合上述各位學者的研究成果，本文仿真中電極材料為黃銅，工件材料為普通高速鋼，在氣體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 50%和 20%，在液體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 45%和 18%。當峰值電流不變時，放電通道的半徑在放電的初期隨著放電的持續(xù)不斷地擴大，但等離子放電通道的振動強度受到峰值電流的限制，到一定的時間后可以認為半徑趨于穩(wěn)定，變化量很小。圖31所示為模型的熱邊界條件。研究表明瞬時放電通道中帶電粒子的密度符合高斯分布，即放電通道中心處帶電粒子的密度最高，而邊緣處帶電粒子的密度最低，作用在電極表面的平面熱源的熱流密度呈現(xiàn)高斯分布 [18]如圖 31所示。本章通過建立微細電火花加工的熱源模型，利用 MARC 軟件，對單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場進行模擬分析。最后分析了微細電火花加工技術(shù)的特點，也是這種加工方法的優(yōu)越性，即宏觀作用力極小，加工材料選擇性廣，加工自由度、靈活性高等特點。在使用工具的加工方法中 MEDM 具有以下的特點：（1）同其他加工法相比，由于 MEDM 的宏觀作用力極小 [15]，所以能加工細、薄的工件，不會因工具的彈性變形而使精度受到影響。目前，MEDM 應(yīng)用的放電能量粗加工為 100μJ，精加工為 10μJ 左右，大體上是通常電火花加工能量 1J~100J 的 1/10000 左右 [14]。在氣體介質(zhì)中加工時，則不存在炭黑膜的影響，對加工方式的選擇主要考慮極性效應(yīng)即可。 微細電火花加工過程中的極性效應(yīng)在微細電火花加工中存在極性效應(yīng)，所謂極性效應(yīng) [10]即盡管使用相同材料的電極和工件，兩極的蝕除量仍然存在一定的差異現(xiàn)象。該層黑膜可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這對傳統(tǒng)的去除加工是十分有利的。在微細電火花加工過程中中，上述過程通過兩個途徑完成。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑） ，實現(xiàn)微細電火花加工。實際上，微細電火花加工的過程遠比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程 [6]。所以在觀察微細電火花加工時，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象并聽到輕微的爆炸聲。 微細電火花加工的微觀過程微細電火花加工過程大致分為以下幾個階段：（1）極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。通道中的介質(zhì)以等離子體狀態(tài)存在，其離子與電子的數(shù)量幾乎相等，因此，該通道是電的良導體并呈電中性。（2）建立微細電火花加工的熱源模型，用 MARC 軟件模擬微細電火花加工過程中工具電極和工件溫度場變化。表 11 沉積黃銅選用的工藝參數(shù)工藝參數(shù) 1 工藝參數(shù) 2 工藝參數(shù) 3峰值電流 I/A 脈沖寬度 ti/μs 4 8 8脈沖間隔 to/μs 30 120 120使用這三組工藝參數(shù)進行加工，均有沉積物生成。我國哈爾濱工業(yè)大學 [3]和廣東工業(yè)大學也相繼開展了這方面的研究工作。新型電源和機器人技術(shù)也已應(yīng)用到了微細電火花加工機床中，使微細電火花線切割機床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。圖 13 是機床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定工藝參數(shù)的流程圖。圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細孔和 的微細軸，代表了當前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。以往與微細加工相關(guān)的，多數(shù)為孔或狹縫加工，而現(xiàn)在已擴大到加工 3 維形狀的型腔及凸形零件，同時還能直接用于加工微細凸透鏡及表面裝飾用鑄模、壓印模等模具。目前其應(yīng)用范圍是：圓孔直徑為 Φ5μm 左右；方孔單邊為 10μm 左右；可加工材料為金屬、合金、導電性陶瓷等；在加工深度上，可以加工出微孔深度超過直徑 2倍或在直徑超過 Φ50μm 的情形下加工出孔深達到直徑 5 倍的深孔。在多數(shù)情況下用其他加工方法，如銑削﹑車削﹑磨削等加工方法也能使工件較容易地加工出來，所以電火花加工所起的作用便不是唯一的。在微細電火花加工過程中，對工件的蝕除作用力雖然很多很復(fù)雜，但熱力起了最主要的作用。摘 要微細電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程，其中熱力在微細電火花加工過程中起了決定性的作用。因此，模擬微細電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場變化規(guī)律對于理解微細電火花加工的機理和特點具有重要的作用，此外，研究溫度場的規(guī)律也可以預(yù)測工藝參數(shù)，這對于改進加工方法，提高工件加工速度，提高表面加工質(zhì)量也具有重要的意義。但是，在進行微細尺寸加工時，例如像切削微細軸這類工件用一般切削方法就會因受切削力等方面的影響而引起彎曲，此時 MEDM 便能起重要作用。利用微細電火花線切割能很容易地加工出 維形狀的工件，但是在其拐角處會帶有超出線電極半徑的圓?。? 維型腔加工困難更大。從總體來說，微細電火花加工技術(shù)在國際和國內(nèi)都取得了較大進展，日本已到了實用化的階段。圖 11 Φ5μm 的微細孔和 的微細軸德國卡爾斯魯厄(karlsruhe) 大學和日本東京大學 [2]利用線電極電火花磨削（WEDG)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了硬質(zhì)合金微型銑刀的加工技術(shù)，并利用該銑刀進行了銑削加工試驗(圖12)。圖 13 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定工藝參數(shù)的流程圖（3）模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。 有限元法仿真在電火花加工中的應(yīng)用隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，使仿真技術(shù)在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進的科學手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點，是進行電火花加工機理研究的有效途徑。a)電火花加工有限元模型 b)溫度模擬結(jié)果圖14 電火花加工的溫度場分析 [14]J．Marafona [4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過程，模型正極為銅，負極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對放電后電極和工件的溫度場進行了分析（見圖14）。如圖 17 所示為氣中微細電火花沉積加工實例。（3）通過對比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場變化，分析和揭示微細電火花加工過程中工具電極和工件溫度場變化規(guī)律及特性。在這種時間和空間高度集中的情況下，在極間電場作用下，通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽極運動并發(fā)生劇烈碰撞，動能轉(zhuǎn)變成熱能，在工件表面形成熱源。放電通道是由大量帶正電和負電的粒子以及中性粒子組成，帶電粒子高速運動，相互碰撞，產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達到 10000 攝氏度以上。（3）電極材料的拋出。 微細電火花加工的實現(xiàn)條件實現(xiàn)微細電火花加工，應(yīng)具備如下條件：工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。所以，放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進上述過程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。因此，如果進行工件去除加工，采用液體介質(zhì)作為工作液是相對來說是非常合適的。當電極和工件的材料不同時，這種差異會更加明顯。 微細電火花加工技術(shù)的特點在各種不同的電火花加工應(yīng)用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細電火花加工。由于 MEDM 的放電能量與通常的電火花加工不同，因而有其自身的特殊狀況。（2）能加工硬度高，韌性大的材料。通過這章，可以更深入的了解微細電火花加工的基本理論和特點，也為對微細電火花加工進行下一步分析和研究奠定理論基礎(chǔ)。 微細電火花加工溫度場分析 微細電火花加工模型假設(shè)微細電火花加工的加工過程具有很強的隨機性和復(fù)雜性，但它遵循電火花加工和熱力學的基本規(guī)律，為了簡化計算，對該熱模型作如下假設(shè)：（1）一個脈沖放電只存在一個放電通道；（2）熱傳導模型為軸向?qū)ΨQ；（3）電極材料為各向同性的均勻物質(zhì)；（4）不考慮材料的去除問題；（5）熱傳導過程的輻射熱損失轉(zhuǎn)換成對流換熱的方式考慮；（6）把放電通道看做等能量密度分布的均勻圓柱體考慮。qm圖 31 熱流密度高斯分布示意圖因此，高斯熱源是等離子體溫度場模擬中使用最廣泛的熱源模型，是最能反映實際情況的一種熱源。放電通道傳遞給工件的能量以熱能形式進行，所以上表面F 1以放電通道形位半徑為界線，半徑以內(nèi)施加熱源，半徑外以對流換熱的方式考慮能量損耗 [21]。為了研究方便，我采取了等值的放電通道半徑，令 R=8μm。 溫度場仿真軟件為了對單脈沖條件下微細電火花加中工具電極和工件的溫度場進行模擬分析，本人采用了 MARC 軟件。Marc 對于非線性問題采用增量解法，在各增量步內(nèi)對非線性代數(shù)方程組進行迭代以滿足收斂判定條件。輸入數(shù)據(jù)文件由 4 部分組成，其中分析功能的指示由參數(shù)選項組確定，分析模型的內(nèi)容由模型定義選項組確定，增量步數(shù)據(jù)由歷程定義選項組確定，圖形輸出由繪圖定義選項組確定。圖 35 自動生成網(wǎng)格定義熱邊界條件。依施加對象的不同而分類。對于非標準的對流邊界，按下 USER SUB．FILM ，可通過用戶子程序定義對流條件。菜點界面如圖 37所示。如考慮相變潛熱，可擊 LATENT 定義兩相溫度和潛熱大小。圖 310 定義幾何特性加載歷程在主菜單下?lián)?LOADCASES 可選 HEAT TRANSFER，進入定義穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)傳熱的加載歷程。程序計算完整個時間域內(nèi)溫度后自動正常退出。菜單界面如圖 311 所示。對殼單元沿厚度方向的分布，指明線性變化或是二次變化。因為有限元劃分出的網(wǎng)格只提供了單元幾何形狀信息，對殼、桿、梁單元，僅僅是中面或軸線的兒何形狀還小能完全確定這些結(jié)構(gòu)全部幾何信息,還需給定截面幾何特性。具體菜單界面如圖 314 所示。所以為了精確模擬微細電火花加工過程的溫度場，材料的熱物理特性都采用隨溫度變化的取值方式，這樣就建立了相關(guān)材料參數(shù)的工程數(shù)據(jù)庫。溫度場如圖319和圖320。溫度場如圖323和圖324。（3）和在液體介質(zhì)中相比，在氣體介質(zhì)中進行微細電火花加工時，電極材料獲得的能量更高，相應(yīng)模擬的的電極的溫度場的溫度也更高。為了便于分析和建模，模型中認為放電通道半徑是等徑的，考慮了材料物性參數(shù)隨溫度的變化，應(yīng)用了有限元方法對單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場進行數(shù)值模擬。清華大學學報：自然科學版，1999，39(8) ：45．48。[6] ， ．Electrical Discharge Machining in Gas．Annuals of the CIRP．1997,46(1)：143~l46。哈爾濱工業(yè)學博士學位論文，2022：52~556 。[18] ， ，et al．Electrical Discharge Machining in Gas．Annals of the CIRP．1997,46(1):143~147[19] 李勇，王顯軍，郭旻等，微細電火花加工關(guān)鍵技術(shù)研究。哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2022。此外，我的許多同學和朋友在設(shè)計過程中，也給我提出了許多寶貴的意見，在